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LA FABRICACIÓN DE COMPONENTES DE SILICIO MEDIANTE GRABADO IÓNICO REACTIVO PROFUNDO (DRIE – Deep Reactive Ion Etching)

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1. Introducción

El silicio y su técnica de implementación mediante grabado profundo (DRIE) aparecieron en la relojería desde 2001. Las propiedades del silicio ofrecen numerosas ventajas y lo convierten en un material apreciado, especialmente para la fabricación de los escapes y los espirales.

La elasticidad del silicio es cercana a la del acero con un módulo de Young comprendido entre 130 y 185 GPa. Es amagnético y tres veces más ligero que el acero. Estas son propiedades particularmente ventajosas para el diseño de escapes, espirales y jaulas de tourbillon. Debido a su gran dureza, ningún tratamiento térmico (temple, recocido, etc.) es necesario. Permite cumplir plenamente las funciones del escape y los contactos de fricción (rueda de escape – levas en particular) no necesitan lubricación.

Al igual que la tecnología de electroconformado (UV-LIGA), el método de grabado DRIE comienza con una etapa fotolitográfica que ofrece las mismas libertades de diseño, permitiendo en particular aligerar al máximo los componentes sin afectar su rigidez. La fabricación de componentes de silicio consiste así en un proceso secuenciado en diferentes etapas:

2. Diseño del componente

La tecnología DRIE permite obtener perfiles de componentes imposibles de realizar mediante otros métodos de fabricación. Por ejemplo, una rueda de escape podrá ser calada según una estructura definida con el fin de reducir al máximo su peso sin debilitar su rigidez. Por lo tanto, es importante conocer bien esta tecnología para poder integrar sus beneficios desde el diseño del componente.

3. Creación del fotomáscara

Los contornos del perfil del componente a producir se imprimen a escala 1 sobre una placa de vidrio. Se reproduce el componente a fabricar tantas veces como sea posible en la superficie del fotomáscara. La luz (los UV) solo podrá pasar así por fuera del contorno de los componentes a producir.

4. Fabricación del wafer

El wafer se compone de un disco de silicio con un grosor correspondiente al de los componentes a fabricar. Se aplica una capa de resina fotosensible sobre la superficie de este disco.

5. Irradiación del wafer

Esta etapa consiste en superponer la fotomáscara al wafer e irradiar su superficie con rayos UV. Por supuesto, gracias al filtro que constituye la fotomáscara, solo los contornos de los componentes a producir quedarán protegidos de los rayos UV. La resina expuesta a los rayos UV se endurecerá por polimerización y no podrá disolverse en la siguiente etapa.

6. Revelado

Después de haber sido expuesto a los rayos UV, el wafer se sumerge en un baño que permite disolver, con una precisión extrema, las superficies del wafer que no han sido expuestas a los rayos UV, es decir, el contorno preciso de los componentes a producir. Con esta operación, se obtienen tantos perfiles del componente a producir como la superficie del wafer pueda albergar. En esta etapa, el wafer está terminado, al igual que la parte litográfica del proceso.

7. Grabado (DRIE) del wafer

El wafer está ahora listo para ser grabado. Esta operación requiere un entorno limpio y se realiza en sala blanca. El wafer se coloca en una cámara de vacío donde se efectuará el Grabado. Diferentes gases a base de flúor en forma de plasma graban y protegen sucesivamente las superficies y los flancos del Silicio así recortado mediante pasivación. Este ataque químico permite recortar componentes de un espesor comprendido entre algunas micras y varios milímetros con una precisión de algunas micras.

8. Oxidación de superficie

Una vez grabado el wafer, se procede a una oxidación térmica del Silicio a 1200 °C. Se forma entonces una capa de dióxido de Silicio por crecimiento. El dióxido de Silicio es transparente. Su espesor (que puede llegar hasta 3 mm) influirá, por difracción, en el color del componente. Este tratamiento de superficie protege de manera homogénea el componente y mejora su Dureza así como sus propiedades tribológicas (rugosidad, coeficiente de fricción, etc.).

9. Recuperación de los componentes

Una vez finalizado el grabado, la resina se disuelve y los componentes cortados solo tienen que ser recuperados. Exentas de cualquier rastro de mecanizado, las superficies no suelen requerir ningún tratamiento posterior.

La tecnología DRIE y el Silicio presentan numerosas ventajas en comparación con los métodos tradicionales de producción de componentes y los materiales hasta entonces habituales, y permiten grabados a dos niveles. El diseño y la tecnicidad de los componentes se han beneficiado inmediatamente de ello. Gracias al nivel de precisión que ofrece este método y a la ausencia de tensión mecánica durante la fabricación del componente, los límites en términos de tecnicidad y diseño se superan magistralmente.

Aunque el proceso requiere varias etapas, su implementación es rápida y su costo controlado. Los componentes realizados mediante este proceso son siempre perfectamente idénticos y conformes al plano original. La precisión es del orden de unas micras y, en ausencia total de herramientas, se pueden alcanzar tolerancias rigurosamente estrechas.

Debido a esta precisión y a la ausencia de herramientas de corte, los acabados superficiales no necesitan, la mayoría de las veces, ningún tratamiento. Una ventaja importante, especialmente cuando se trata de engranajes, ya que los rozamientos se minimizan gracias a la calidad de las superficies obtenidas mediante esta tecnología.

Estas numerosas ventajas han hecho rápidamente de ella una tecnología imprescindible, ampliamente utilizada, en particular para la fabricación deescapes y de espirales. Ha liberado verdaderamente la creatividad de los diseñadores y mejorado el rendimiento de los relojes. Así, la tecnología DRIE y la aparición del silicio constituyen sin duda una de las evoluciones más importantes de este último siglo.